CC BY
272
Памяти профессора Кутькова Александра Андреевича и 40-летию созданного им ОКТБ «Орион» посвящаю
УДК 621.891
КОНЦЕПЦИЯ БЕЗЫЗНОСНОСТИ В СОВРЕМЕННОЙ ТРИБОЛОГИИ
© 2014 г. А.С. Кужаров
Кужаров Александр Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, Kuzharov Alexander Sergeevich - Doctor of Technical Sci-заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой ences, professor, , Head of the Department of Chemistry, Don химии, Донской государственный технологический универ- State Technical University, Rostov-on-Don. Ph. (8632) 73-85-ситете. Ростов н/Д. Тел. (8632) 73-85-37. E-mail: akuzharov 37. E-mail: akuzharov@donstu.ru @donstu.ru
После открытия в 1956 г. эффекта избирательного переноса при трении в трибологии впервые появилась основа для формирования принципиально новой парадигмы «трение без износа с минимальными энергетическими затратами», что отрицалось всем предшествующим практическим опытом эксплуатации подвижных сопряжений машин и механизмов, а также теоретическими построениями науки о трении и износе твердых тел. Эффект безызносности при трении и сопровождающий его эффект сверхантифрикционности не получили особой популярности на Западе, где до сих пор считаются скорее исключением из правил, чем правилом. Одновременно с этим и, скорее всего, в противовес избирательному переносу к концу прошлого века сформировалось понятие «зеленая трибология», которое фактически перечисляет все те достижения, которые были сделаны в основном в СССР и РФ при исследовании механизмов безызносности и сверхантифрикционности, а также при разработке смазочных материалов для их реализации на практике. В статье дана краткая историческая ретроспектива открытия эффекта избирательного переноса и появления «зеленой трибологии». Обсуждены их общие цели и задачи, показаны особенности и определены перспективы.
Ключевые слова: избирательный перенос; зеленая трибология; безызносность; экология; биотрибология.
After opening in 1956 the effect of selective transfer at friction in tribology, first appeared basis for the formation of a new paradigm of «friction without wear with minimum energy costs», which was rejected by all previous practical experience and theoretical models of the science offriction and wear of solids. Wearless effect at friction and the accompanying effect superantifriction not received the big popularity in the West, where still are rather exception than the rule. At the same time and, in contrast to the selective transfer to the end of the last century formed the concept of a «green tribology», which actually lists all the achievements that were made mainly in the USSR and the Russian Federation in the study of mechanisms of wearless and super-antifriction, and as well as the development of lubricant materials for their realization in practice. The article gives a brief historical retrospective of the opening of the effect of selective transfer and the emergence of «green tribology». Their common aims, objectives and features the prospects are discussed and determined.
Keywords: selective transfer; green tribology; wearless; ecology; biotribology.
Введение циональных материалов триботехнического на-
значения .
Автор не ставит своей целью рассмотреть в
Бум последних десятилетий, связанный со
становлением и развитием нанотехнологий, в
/- настоящей статье все те проблемы, которые воз-
том числе и применительно к трибологии и три- ^ ^ ' ^
ботехнике, подходит к своему логическому за-
вершению. Заявок, обещавших революционные *Академик рАН !ЭЛ. Кругляков в интерн КП 16 трта
/-„/-„ 2011 г. сказал: «... У нас в стране в 2008 году прошел пер-изменения в борьбе с трением и износом на на- „ ,
вый форум по нанотехнологиям. При форуме была выстав-
нотехнологической основе, сделано огромное ка. В первых рядах с демонстрацией наноэкспонатов сидели
количество. Результатов, коренным образом по- мошенники и показывали таблетку, которая, если ее при-
влиявших на ресурс продукции машиностроения клеить к бензобаку, обеспечит экономию горючего на 20 %.
и качество жизни общества, к сожалению, полу- А если авторам дадут деньги на развитие, то они °бещали
„ довести экономию до 50 %, а в будущем вообще не потре-
чено, мягко говоря, значительно меньше. При- , 0 ,
' ^ ' г буется горючего ...». Здесь, как говорится, no comments, но
шло время объективного анализа научных ре- обратите внимание на преследующие обывателя в послед-
зультатов и сопоставления их с рекламными, нее время наноноски, наномойки, нановоски, нанокосмети-
всегда преувеличенными и эмоциональными в том числе и автомобильную, а в техтч^кю прило-
„ „ с- ~ жениях, особенно при борьбе с трением и износом твердых
заявлениями разработчиков «чудодейственных» ' г г г г^
тел, на нанокомпозизионные смазочные материалы, нано-
технических, технологических и материаловед- трибологию и, конечно, эффект безызносности при трении
ческих решений и препаратов в составах функ- и безразборное восстановление и т.д. и т.п.
никают при использовании новых научных результатов в теоретических построениях и практике трибологии, но показать тенденции в современном состоянии исследований природы внешнего трения, в том числе и негативные, на наш взгляд, настала пора. В работе будут рассмотрены в основном два понятия, которые в наибольшей степени способствовали тем революционным изменениям, которые произошли в трибологии и триботехнике, начиная со второй половины ХХ в. Это эффект безызносности при трении [1] и зеленая трибология [2].
Избирательный перенос
Избирательный перенос (ИП), или эффект безызносности, при трении зарегистрирован в качестве открытия в 1966 г. с приоритетом от 12 октября 1956 г. [1, 3, 4]. Авторы открытия Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский отмечали суть обнаруженного явления в том, «...что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твёрдого раствора медного сплава на сталь и обратного её переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения.» [1].
Явление ИП, первоначально названное атомарным схватыванием металлов [5], после начала систематических исследований в 1968 г. и накопления данных по механизму его реализации было определено как «.вид фрикционного взаимодействия, характеризуемый в основном молекулярной составляющей силы трения. Возникает в результате протекания на поверхности химических и физико-химических процессов, приводящих к образованию систем автокомпенсации износа и снижения трения. Для ИП наиболее характерна система образования защитной (сервовитной) плёнки, в которой реализуется диффузионно-вакансионный механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам» [6].
В последние годы XX в. эффект безызносно-сти определяется как один из примеров самоорганизации при фрикционном взаимодействии в трибологических системах [7, 8], и с тех пор си-нергетический подход при его описании становится почти обязательным.
Классическая трибосистема для реализации ИП - система «медный сплав (бронза или латунь) - водный или спиртовый раствор глицерина - сталь», эволюция триботехнических свойств
в которой при испытаниях на машине трения МТ-1 (рис. 1 [7]) наглядно демонстрирует самоорганизацию при трении в режиме ИП, проявляющуюся в сверхнизкочастотных колебаниях коэффициента трения и размеров трущихся тел.
10 МПа
20000 40000 60000 00000 100000 Время, с
Рис. 1. Эволюция триботехнических свойств (1 - момент трения; 2 - линейный износ) в трибосистеме латунь - глицерин - сталь. А (а, Ь) - приработка, c, d - переходной режим, ИП - режим избирательного переноса
Самоорганизация в условиях безызносного трения является результатом и следствием комплекса протекающих в зоне фрикционного контакта трибохимических реакций и физико-химических процессов [9], что проявляется в уникальных триботехнических характеристиках: сверхантифрикционности (коэффициент трения -10") и безызносности (интенсивность изнашивания -10" ), обеспечиваемых защитной нанок-ристаллической сервовитной плёнкой мягкого металла с необычным сочетанием механических свойств. По результатам наноиндентирования с глубиной погружения индентора (алмазная пирамидка Берковича) не боле 10 нм [10] такая пленка характеризуется «свехтвердостью» на сжатие и «сверхтекучестью» на сдвиг.
Обеспечение необычайно низких значений коэффициентов трения и практического отсутствия износа при трении твердых тел в рамках молекулярно-механической теории И.В. Крагель-ского возможно либо при спонтанном возникновении в процессе фрикционного взаимодействия систем автокомпенсации износа, либо при трении идеально гладких двумерных кристаллов, где проявляется только молекулярная составляющая силы трения, что происходит, например, при трении графена или его фторированного аналога.
В машиностроительной практике системы автокомпенсации износа при трении в условиях избирательного переноса создаются, как прави-
ло, путем подбора а) материалов трибосопряже-ния, б) состава смазочного материала и в) конструкции узла трения. В результате удачных мате-риаловедческих и конструкторских решений получают самоорганизующуюся трибосистему, в которой процесс фрикционного взаимодействия перенесен в нанокристаллическую квазижидкую [7], и тем самым обеспечивающую коэффициенты трения, характерные для гидродинамического трения, сервовитную пленку, составляющие которую нанокластеры металлов-пленкообразова-телей представляют собой почти идеальные кристаллы, что приводит к повышению несущей способности и износостойкости трущихся поверхностей.
На практике «безызносное»* функционирование узлов трения достигается чаще всего применением в реальных трибосопряжениях метал-лоплакирующих смазочных материалов: масел, пластичных смазок, самосмазывающих материалов и покрытий [11].
Механизм эффекта безызносности при трении не вытекает из существующих теоретических выводов о природе фрикционного взаимодействия вообще и граничного трения в частности. Поэтому ни одна из попыток предложить детально разработанный и экспериментально обоснованный научный подход к объяснению реально наблюдаемых при реализации эффекта Гар-кунова сверхнизких коэффициентов трения и аномально высокой износостойкости не является в настоящее время общепризнанной, хотя работы, направленные на выяснение причин возникновения безызносности при трении, ведутся уже более полувека, в течение которого накоплены достоверные экспериментальные факты и предложены непротиворечивые подходы, позволяющие на качественном уровне объяснить эволюцию триботехнических характеристик пары трения при реализации избирательного переноса. Наибольшие успехи при этом достигнуты при исследовании физико-химических свойств и строения поверхностей контактной зоны трущихся твердых тел, а также трибохимических превращений [12] смазочного материала в три-босистеме «медный сплав - глицерин - сталь».
Безызносность в практике машиностроения, конечно, метафора, но в теоретических построениях и в стационарном состоянии трибосистемы, что невозможно в реальных машинах, это непрерывные физико-химические и механические эволюционные изменения трибосопряжения без изменения средних размеров поверхности и объема зоны фрикционного контакта.
Исторически первыми исследованиями механизма избирательного переноса [13] были исследования толщины, шероховатости, микротвердости и микроструктуры, образующейся на трущихся поверхностях при трении медного сплава по стали в водном или спиртовом растворе глицерина и визуально наблюдаемой медной сервовитной пленки. Установлено, что самопроизвольно возникающая в ходе фрикционного взаимодействия сервовитная пленка имеет толщину не более 1 ... 2 мкм, а ее механические и физико-химические свойства существенно отличаются от свойств обычной компактной меди.
В настоящее время достоверно установлено [14], что и состав, и толщина, и свойства серво-витной пленки в ходе фрикционного взаимодействия непрерывно меняются так, что при экстраполяции в бесконечность поверхность трения представляет собой чистую медь (рис. 2), стабильность которой в условиях трения обеспечивается процессами сорбции ПАВ из состава смазочной среды.
Рис. 2. АСМ (3D-визуализация) поверхности пленки переноса (латунь по стали в глицерине)
Детальные исследования трибохимических реакций и превращений смазочного материала, а также эволюции химического состава защитной органической, так называемой сёрфинг-пленки, т.е. пленки на поверхности сервовитной при трении в режиме безызносности, выполненные с использованием современных физико-химических методов РФЭ, ИК, УФ и ЯМР спектроскопии, РФА, рентгеновской спектроскопии XANES, ИК-Фурье спектроскопии, хромато-масс-спектрометрии [15 - 17], позволили детально охарактеризовать возникающие в условиях трения продукты и установить их роль в механизмах формирования граничных слоев при самоорганизации не только классической трибосистемы «медь - глицерин - сталь» [18], но и ряда других более эффективных трибосистем с использова-
нием в качестве смазочного материала, например водных растворов полиатомных спиртов - аналогов глицерина или растворов углеводов, таких, как сахароза, глюкоза или галактоза.
Цепочки последовательных и параллельных химических реакций: трибоокисление, трибоко-ординация, трибовосстановление, трибовосста-новительный распад координационных соединений, трибополимеризация, трибокластеризация и другие, сопровождающие и (или) порождающие колебательные трибохимические реакции, колебательные электрические и электрохимические эффекты, колебания размеров трущихся тел и фрикционных характеристик пары трения - вот тот [19], далеко не полный, перечень физико-химических проявлений безызносности при трении.
В самом общем случае эволюция классической для реализации эффекта Гаркунова открытой трибосистемы «медный сплав - глицерин -сталь» от равновесного, в термодинамическом смысле, состояния покоя при неизменных внешних начальных условиях (р, V, Т) в режим безыз-носного трения всегда начинается с высоких (более 0,1) значений коэффициента трения и большого приработочного износа, что приводит к росту энергонапряженности зоны фрикционного контакта, выводит трибосистему из положения равновесия в неравновесное состояние и запускает комплекс физико-химических превращений в смазочной среде и на контактирующих при трении поверхностях медного сплава и стали. При этом в начальный период времени трение медного сплава по стали в глицерине не отличается по своей природе от граничного трения, что проявляется как в триботехнических, так и в электрических и электрохимических характеристиках контакта. Продукты износа, накапливающиеся в это время в глицерине, имеют очень широкое распределение частиц по размерам от 10-7 до 10-4 м и представляют собой почти исключительно частицы более мягкого из контактирующих тел медного сплава (в классических трибосопряжениях это, как правило, бронза или латунь). Износ многократно увеличивает поверхность медного сплава в системе, приводит к превалирующей роли топохимических и трибо-химических эффектов, как в составе смазки, так и на поверхности трения, что проявляется в три-бо- и топохимическом окислении глицерина с накоплением в составе смазочной среды широкого круга кислородсодержащих ПАВ (альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, простых и сложных
эфиров, а также олигомерных и полимерных продуктов их дальнейших превращений). Параллельно этому и на поверхности частиц износа и на поверхности трения происходит образование комплексных соединений (трибокоординация), а в растворе накапливаются растворимые координационные соединения металлов [9, 12, 15 - 18].
Ведущими трибохимическими механизмами по электрохимическим соображениям и на поверхности трения, и на поверхности частиц износа является окисление меди Си - 2е = Си , в случае бронзы, или цинка 2п - 2е = 2п в результате его селективного растворения, в случае латуни. Другие металлы, входящие в состав трущихся сплавов, такие как Fe, Sn, РЬ и другие также подвергаются трибоокислению с образованием металлсодержащих продуктов, так что в смазочной среде и на поверхности трения в ходе эволюции трибосистемы одновременно существует широкая гамма продуктов, в которой явно выраженной тенденцией в начальном периоде является накопление окисленных форм разных металлов и продуктов окисления смазочной среды. Важным событием на этом этапе эволюции является накопление в смазочной среде и уменьшение размеров металлических частиц износа с одновременным изменением их состава по указанным выше причинам. Последнее приводит в итоге к накоплению до критических концентраций металлсодержщих продуктов и такому изменению состава смазочной среды, что она фактически становится металлоплакирующей смазкой. Происходит радикальное изменение физико-химической, электрохимической и трибологиче-ской ситуации на поверхности трения и в зоне фрикционного контакта. Трибосистема в ходе достаточно долгой (в лабораторных условиях это порядка 10 м пути трения) эволюции, продолжительность которой определяется начальными условиями, достигает бифуркационной точки с переходом либо в режим безызносного трения, либо в режим катострафического износа.
При переходе и функционировании трибоси-стемы в условиях избирательного переноса обе контактирующие при трении поверхности как медного сплава, так и стали имеют один и тот же состав и строение. Это еще один парадокс избирательного переноса - необычное сочетание материала трущихся поверхностей. Оказывается, что при трении одних и тех же материалов (как правило, в узлах трения сочетаются разнородные металлы и сплавы) могут достигаться рекордные параметры фрикционного взаимодействия, если
речь идет о самоорганизации фрикционной системы, достигаемой особой структурой поверхностного слоя, участвующего в формировании фрикционных связей в зоне фактического контакта трущихся тел.
В переходных режимах от граничного трения к трению безызносному, вследствие неравновесного характера происходящих в трибоси-стеме процессов, поскольку система находится достаточно далеко от положения термодинамического равновесия, и описания их системами нелинейных дифференциальных уравнений начинают проявляться колебательные механизмы, связанные как с трибохимическими превращениями в зоне контакта, например, с колебаниями концентрации медьсодержащих продуктов в смазке, так и с электрическими, электрохимическими и трибологическими характеристиками контакта, что проявляется, например, в прецизионном трибологическом эксперименте (рис. 3) [20].
Наблюдение такого рода колебаний, всегда сопровождающих трение в режиме безызносно-сти, является проявлением самоорганизации при трении, а также доказательством перехода и функционирования трибологической системы в одном из стационарных состояний.
Переходной режим от граничного к безыз-носному трению в ходе эволюции таких систем длится значительно меньше, чем режим граничного трения, но именно в это время происходят основные события, приводящие к уникальным триботехническим характеристикам трибосите-мы «медный сплав - глицерин - сталь». Именно в этом переходе, термодинамически обоснованном как процесс, протекающий в открытой сис-
теме и сопровождающийся ростом энтропии, происходит упорядочивание, связанное с формированием на поверхности трения сервовитной пленки. Сервовитная пленка формируется на поверхности трения в неравновесных, неизотермических и топографически неравноценных условиях, что приводит к неизбежным различиям ее состава и свойств в разных местах фрикционного контакта. Тем не менее формирование пленки всегда обусловлено взаимодополняющими друг друга процессами трибо- и электрохимического восстановления координационных соединений мягких металлов (на практике чаще всего меди) на поверхности трения, кластеризацией их (металлов) восстановленных форм, оптимизацией в зависимости от режимов трения (Р, V, Т) размеров (в нанодиапазоне) и формы (трехосный эллипсоид с а = в >> с) кластеров двумя путями «сверху - вниз» и «снизу - вверх» с последующим осаждением нанокластеров металлов, в результате направленных на поверхность контакта потоков вещества металла пленкообра-зователя за счет трибоэлектрохимических эффектов. Формирование пленки начинается на отдельных наиболее активных участках поверхности стали, что приводит к снижению коэффициента трения в целом и уменьшению энергонапряженности узла. Последнее сопровождается уменьшением износа и переносом процесса формирования пленки на менее активированные участки поверхности контактирующих тел.
Термодинамически система приближается к одному из множества возможных стационарных состояний, выбор которого обусловлен исключительно начальными условиями эволюции.
е-£
0,3
о,г
■& ■е-
1000
£
Щ 100
10
г ■е-
(5
С
(5
X
0,1
Рис. 3. Колебания в переходном режиме граничное трение - избирательный перенос в паре трения сталь 45 - сталь 45 при смазке нанокластерми меди в глицерине. Трибометр TR-2: 1 - нагрузка; 2 - коэффициент трения;
3 - электрическое сопротивление контакта
В связи с этим и траектория движения три-босистемы в ходе эволюции в режим безызнос-ности всегда строго индивидуальна и никогда, что принципиально важно, не может быть воспроизведена в деталях. В том случае, если трибо-система самоорганизуется, что в термодинамическом описании характеризуется ростом энтропии и упорядочиванием, а ее триботехнические и физико-химические характеристики в стационарном состоянии становятся почти неизменными (рис. 4), если не считать малых флуктуаций относительно стационарных значений.
крывает реальную возможность для проектирования узлов трения с многократно повышенной долговечностью и сверхвысокой экономичностью с точки зрения потерь на трение в подвижных сопряжениях машин.
Одновременно с этим нельзя не отметить, что, одной стороны, под бренд «эффект безыз-носности» подгоняются разработки коммерческих продуктов [21], не имеющие никакого отношения ни к исследованиям механизма ИП, ни к смазочным материалам для его реализации, а с другой, - зарубежные авторы, работая фактиче-
|
1000 Ж
Еюо
10
s
30
"5" 20 1=
10
Ü1
1 i i i J 3 i i
- 1 . -
2
1 L—-—-—1— -i i i - i
700
t, с
Рис. 4. Стационарный режим при реализации избирательного переноса в паре трения сталь 45 - сталь 45 при смазке нанокластерми меди в глицерине. Трибометр TR-2: 1 - нагрузка; 2 - коэффициент трения;
3 - электрическое сопротивление контакта
Это связано с тем, что сервовитная пленка, формирующаяся из отдельных атомов и их небольших кластеров, имеет нанокристаллическую структуру и, с одной стороны, является сверхпрочной на сжатие, так как наночастицы, ее составляющие, являются фрагментами почти идеальных кристаллов, а с другой стороны и одновременно с первым, та же пленка является квазижидкой и сверхпластичной при растяжении и сдвиге за счет значительно более слабых взаимодействий между наночастицами, чем между атомами в кристаллической решетке металла.
В таком режиме система может функционировать либо сколь угодно долго, либо до тех пор, пока непрерывно накапливающиеся внешние возмущения или изменившиеся внешние условия не переводят ее в новое стационарное состояние, которое может характеризоваться другими и не обязательно более высокими триботехническими характеристиками, что делает практическую реализацию безызносности в реальных машинах и механизмах весьма сложным и не всегда обоснованным мероприятием.
Таким образом, применение избирательного переноса в машиностроительной практике от-
ски в идеологии ИП, например [22], вообще не используют термина ИП и не ссылаются на многочисленные российские работы по этому вопросу.
Тем не менее почти вся современная автохимия, как отечественная, так и зарубежная, это, почти обязательно, «нанотехнологии» и «эффект безызносности при трении», «безразборное восстановлении ДВС» и т.д. и т.п., что напоминает ту «чудодейственную таблетку», о которой говорил академик Э.П. Кругляков и, конечно, не способствует развитию междисциплинарных исследований в этой области и безусловному признанию эффекта безызносности мировым академическим сообществом.
Зеленая трибология
В своем послании [23] Мировому триболо-гическому конгрессу Президент Международного Совета по Трибологии профессор Питер Джост, характеризуя развитие трибологии за последние 40 лет, пишет: «.Трибология сегодня не ограничивается технологиями или техникой. Классическое определение трибологии через «взаимодействие поверхностей при их относительном движении» в последнее время существенно углублено и расширено: биотрибология, экотрибо-логия, нанотрибология и другие ... уже играют
заметную и все возрастающую роль, широко представлены на многих научно-технических конференциях, в том числе и на настоящем конгрессе. Особое значение приобрела «Зеленая трибология» - современное название экотрибо-логии, предложенное профессором Жангом. Зеленая трибология - это наука и технология три-бологических аспектов экологического баланса и экологические и биологические воздействия. Целью и сутью исследований зеленой трибологии являются экономия ресурсов и энергии, защита окружающей среды и повышение качества жизни...».
По мнению профессора Жанга [2] : «... цели зеленой трибологии могут быть сведены к формуле 3L + 1H (L и H от англ. Low - низкий и High - высокий), а именно, низкое энергопотребление, низкий уровень выбросов (например, CO2), низкие расходы на защиту окружающей среды и высокое качество жизни.».
Учитывая вышеизложенное и понимая, что трибология России не может быть на обочине мировых тенденций ее развития, представляется целесообразным, хотя бы кратко, рассмотреть, как вписываются достижения, которые получены при исследовании самоорганизующихся трибо-систем вообще и эффекта безызносности в частности, в круг тех задач, которые призвана решать зеленая трибология.
Говоря о зеленой трибологии, нельзя не вспомнить и о зеленой технологи «Green Technology», и о зеленом машиностроении «Green Engineering», и о зеленой металлообработке «Green Metalworking» и т.д., но первой ассоциацией и исторически первой зеленой наукой, применительно к естествознанию, является зеленая химия «Green Chemistry».
Сформулированные Полом Анастасом (Paul Anastas) в 1991 г. 12 принципов зеленой химии в неизменном количестве (12) модернизированы в 12 принципов зеленого машиностроения, а позже ив 12 принципов зеленой трибологии [2, 24], сопоставленные в таблице на языке оригинала, во избежание неточностей перевода,
Как видно из представленных данных, вся «зеленая» наука имеет отношение к защите окружающей среды, исходит из экологии и, таким образом, всегда является междисциплинарной, оперирующей понятиями и языком не всегда общепринятыми в академическом сообществе, что делает ее более «открытой» для всевозможных, в том числе и спекулятивных, построений по сравнению с фундаментальными химией, машиностроением или трибологией. Зеленая трибология в этом ряду не является исключе-нием, также является междисциплинарной наукой, охватывающей значительно большую область технического знания, чем классическая трибология.
Одновременно с этим принципы зеленой трибологии отличаются от глобальных принципов фундаментальной науки, включающих универсальность, техническое совершенство, красоту, баланс теории и эксперимента и, как это ни парадоксально, бесполезность, прежде всего тем, что имеют ярко выраженную практическую направленность и очевидную полезность для развития и совершенствования производительных сил и производственных отношений при их применении на практике. Целью и сутью работ в области зеленой трибологии являются экономия материальных и энергетических ресурсов, а также уменьшение вредных воздействий технических систем на окружающую среду и повышение благосостояния общества.
12 принципов зеленой химии, зеленого машиностроения и зеленой трибологии
Green Chemistry Green Engineering Green Tribology
• Waste prevention instead of remediation • Atom economy or efficiency • Use of less hazardous and toxic chemicals • Safer products by design • Innocuous solvents and auxiliaries • Energy efficiency by design • Preferred use of renewable raw materials • Shorter syntheses (avoid derivatization) • Catalytic rather than stoichiometric reagents • Design products to undergo degradation in the environment • Analytical methodologies for pollution prevention • Inherently safer processes • Inherent rather than circumstantial • Prevention instead of treatment • Design for separation • Maximize mass, energy, space, and time efficiency • Output-pulled versus input-pushed • Conserve complexity • Durability rather than immortality • Meet need, minimize excess • Minimize material diversity • Integrate local material and energy flows • Design for commercial «afterlife» • Renewable rather than depleting • Minimization of heat and energy dissipation • Minimization of wear • Reduction or complete elimination of lubrication and self-lubrication • Natural lubrication • Biodegradable lubrication • Sustainable chemistry and green engineering principles • Biomimetic approach • Surface texturing • Environmental implications of coatings • Design for degradation • Real-time monitoring • Sustainable energy applications
С учетом вышеизложенного и опираясь на мнение Жанга [2], зеленую трибологию можно понимать и как науку, и как технологию, объектом исследования которых является «...взаимодействие поверхностей твердых тел при их взаимном перемещении.» с учетом экологических последствий такого взаимодействия в самом широком понимании последнего.
Рассматривая с позиций зеленой трибологии эффект безызносности при трении, первое, что обращает на себя внимание, это концептуальная возможность трения без износа, что неоднократно подтверждено экспериментально (см. выше первый раздел настоящей статьи) и в полной мере соответствует принципам зеленой химии, машиностроения и трибологии. Другими словами экономия материальных ресурсов при реализации избирательного переноса достигается автоматически и не только за счет минимизации износа, но и за счет повышения ресурса продукции машиностроения.
Второе, коэффициенты трения на уровне 10-при реализации сверхантифрикционности со всей очевидностью приводят к экономии энергоресурсов, что также соответствует принципам зеленых наук.
Наконец, третье, в качестве смазочной среды для реализации эффекта безызносности в его классическом варианте применяются либо водные, либо этанольные растворы глицерина, представляющие экологически безопасные продукты, каждый из которых в отдельности используется даже в пищевой промышленности.
Можно продолжать, но, пожалуй, достаточно, поскольку из представленных данных со всей очевидностью следует - эффект безызносности при трении целиком и полностью вписывается в представления и понятия зеленой трибологии и должен считаться ее реальным воплощением в теории и практике современного машиностроения.
Заключение
Наряду с, безусловно, позитивным настроем при рассмотрении вопросов безызносного трения применительно к экологической безопасности эксплуатации подвижных сопряжений машин и механизмов, нельзя не обратить внимания на целый ряд опасностей, которые обусловлены неполным знанием о тех процессах, которые сопровождают фрикционное взаимодействие.
По моему разумению, главная опасность исходит от комплекса трибохимических реакций, всегда сопровождающих фрикционное взаимодействие. Направление таких реакций и характер образующихся при этом продуктов непрерывно
меняются в зависимости от условий функционирования даже в одной и той же по химическому составу трибологической системе. Спектр продуктов таких реакций, даже в том случае если они оказывают положительное влияние на три-ботехнические свойства трибосопряжения, столь разнообразен и широк, что исключить возможность появления потенциально опасных в экологическом плане соединений в процессе эксплуатации машин и механизмов в настоящее время не представляется возможным.
В связи с этим, конечно, наилучшим подходом при конструировании узлов трения и смазочных материалов к ним является копирование или подражание трибосопряжениям биологических объектов. Правда, с одной стороны, время жизни таких объектов варьируется в достаточно широких пределах, что в ряде случаев не позволяет решать конкретных технических задач, с другой стороны, возникают проблемы биостойкости, и, наконец, с третьей - обеспечение непрерывного мониторинга состояния искусственных биотрибосопряжений, принятие своевременных решений о коррекциях их функциональных свойств при регулярном «питании» и отслеживание его эффективности - это очень не простая задача, даже при самоорганизации. Тем не менее биотрибология сегодня одно из самых востребованных направлений науки о трении и износе.
Теснейшим образом с последними замечаниями связано и конструирование смазочных материалов из возобновляемых источников сырья. Это направление широко развивается и в зеленой трибологии, например при производстве рапсового масла, так и в идеологии ИП, где применение водных растворов углеводов в качестве смазочных материалов для реализации эффекта безызносности открывает заманчивые перспективы.
Таким образом, подводя итоги обсуждению вопроса о двух трендах в развитии науки о трении и износе твердых тел, следует признать, что трибология второй половины ХХ в. и начала XXI позволила сформулировать новую парадигму, суть и смысл которой заключается в том, что трение это не только диссипативный процесс и не только потери энергии и материалов, но это еще и процессы самоорганизации, приводящие к росту энтропии в системе, ее упорядочиванию и переходу к функционированию с минимальными потерями на трение и без заметного суммарного износа контактирующих поверхностей.
Концептуально идея безызносности сегодня реально присутствует в системе трибологического знания, и трение без износа уже не является несбыточной мечтой современного машиностроения.
Вместе с тем хотелось бы предостеречь три-бологическую общественность от необоснованного оптимизма при разработке и эксплуатации безызносных узлов трения, а также от применения препаратов, обещающих фантастические результаты. Следует всегда помнить и четко понимать, что законы сохранения не отменяются ни эффектом безызносности при трении, ни зеленной трибологией. Можно много говорить о безызносности или о зеленой трибологии и это происходит значительно чаще, чем следовало бы. Значительно труднее, а это происходит значительно реже, обеспечить функционирование три-босопряжений с минимальными потерями энергетических и материальных ресурсов без негативного влияния на окружающую среду. Не всегда то, что называется безызносностью действительно безызносность, а декларируемая зеленая трибология не так экологически безопасна, как хотелось бы. Самое сложное, и в этом смысл обсуждаемой выше концепции безызносности в современной трибологии, добиться социальных последствий использования новейших достижений трибологии, триботехники и химмотологии, связанных с повышением качества жизни как каждого отдельного человека, так и социума как такового.
Литература
1. Гаркунов Д.Н., Крагельский И.В. Эффект избирательного переноса (эффект безызносности): открытие № 41 с приоритетом от 12 ноября 1956 г.
2. Zhang Si-wei. Green tribologi: Fundamentals and future development // Friction. 2013. № 1(2). P. 186 - 194.
3. Kuzharov A.S., Kuzharov A.A., Nguen Van Tuyen. Nano-tribological "Zero-Wear" effect - 5 th Word Tribologi Congress (WTC-2013), Torino, September 8-13, 2013, ISBN 978-88-908185 (2013).
4. Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике. Эффект безызносности. Водородное изнашивание металлов. М., 2004. 384 с.
5. Гаркунов Д.Н., Крагельский И.В. Об атомарном схватывании металлов при трении // Докл. АН СССР. 1957. Т. 113, № 2. С. 326 - 328.
6. Трение, изнашивание и смазка: справочник: в 2 кн. Кн. 2 / под ред. И.В.Крагельского и В.В. Алисина. М., 1979. С. 23.
7. Кужаров А.С., Марчак Р. Особенности эволюционного перехода трибологической системы латунь-глицерин-сталь в режим безызносного трения. - Докл. РАН. 1997. Т. 354. № 5. С. 642 - 644.
8. Кужаров А.С., Бурлакова В.Э., Задошенко Е.Г., Марчак Р., Кравчик К., Шоль Г., Блашчик Т., Флис Я., Малыгина Е.В., Кужаров А.А. Трибоэлектрохимия эффекта безызносно-сти при трении. Механизм формирования граничных слоев на стали в самоорганизующейся трибосистеме «медь-глицерин-сталь» // Трение и износ. 1998. Т. 19, № 6. С. 768 - 778.
Поступила в редакцию
9. Кужаров А.С. Координационная трибохимия избирательного переноса: дис. ... д-ра техн. наук. Ростов н/Д., 1991. 513 с.
10. Кужаров А.С., Кужаров А.А., Телятников Е.Д. Размерные эффекты при исследовании физико-механических свойств трибосопряжений методом наноиндентирования // XI междунар. семинар по магнитному резонансу (спектроскопия, томография, экология): материалы семинара, 9 - 14 сентября 2013 г. Ростов н/Д., 2013. С. 92.
11. Кужаров А.С., Онищук Н.Ю. Свойства и применение металлоплакирующих смазок. М., 1985. 60 с.
12. Кужаров А.С. Физико-химические основы смазочного действия в режиме избирательного переноса // Эффект безызносности и триботехнологии, 1992. № 2. С. 3 - 14.
13. Гаркунов Д.Н., Поляков А.А. О механизме избирательного переноса при трении меди и медных сплавов в среде глицерина // Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. М., 1968. С. 63 - 72.
14. Кужаров А.А. Триботехнические свойства нанометрич-ных кластеров меди: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов н/Д., 2004. 20 с.
15 Кужаров А.С., Сучков В.В., Козаков А.Т. Исследование граничных слоев в режиме безызносности методами РЭМ, ПЭМ и РФЭС // Тезисы докл. VI Всесоюз. симп. по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-89). Звенигород. 1989. С. 197.
16. Кужаров А.С., Марчак Р., Кужаров А.А., Рыжкин А.А., Бурлакова В.Э. Элементный и функциональный состав серфинг пленки при трении в режиме безызносности // Надежность и эффективность станочных и инструментальных систем: сб. статей. Ростов н/Д., 1998. С. 162 - 177.
17. Кужаров А.С., Бурлакова В.Э., Задошенко Е.Г., Кужаров А.А., Малыгина Е.В. Использование новых методов при изучении эффекта безызносности // Вестн. ДГТУ. Серия Трение и износ. Ростов н/Д., 2000. С. 36 - 48.
18. Симаков Ю.С. Физико-химические процессы при избирательном переносе // Избирательный перенос в тяжело нагруженных узлах трения. М., 1982. С. 152 - 174.
19. Кужаров А.С., Марчак Р., Гузик Я., Кравчик К., Задошенко Е.Г. Трибологические проявления самоорганизации в системе латунь-глицерин-сталь. Трение и износ. 1996. Т. 17. № 1. С. 113 - 122.
20. Кужаров А.С., Булгаревич С.Б., Кужаров А.А., Бурла-кова В.Э., Кравчик К. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении. Ч. IV. Автоколебания при трении в средах с гигантскими кластерами меди. Трение и износ. 2001. Т. 22. № 6. С. 650 - 658.
21. http://rem-dvig.ru/materialovedenie/ekspertiza-sostavy-dlya snizheniya-treniya-i-iznosa. html (дата обращения: 23.10.2013).
22. Yu He-long, Xu Yi, Shi Pei-jing, Xu Bin-shi, Wang Xiao-li, Liu Qian. Tribological properties and lubricating mechanisms of Cu nanoparticles in lubricant // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2008. Vol. 18. P. 636 - 641.
23. Jost P. TRIBOLOGY - from Basics to Productivity and Employment also commemorating the 40th Anniversary of the International Tribology Council // 5th World Tribology Congress (WTC-2013), Torino, September 8-13, 2013. ISBN 978-88-908185-09 (2013).
24. Nosonovsky V., Bhushan B. Green Tribology. Biomimetics, Energy Conservation and Sustainability. Springer, 2012. P. 8 - 9.
18 ноября 2013 г.
